هدف های رفتاری: بايادگيری اين فصل هنرجو می تواند:
١ دلايل بهبود بخشيدن خواص فلزات را بيان کند.
٢ مهم ترين روش های بهبود بخشيدن خواص فلزات را نام ببرد.
٣ روش بهبود بخشيدن خواص فلزات به وسيله عمليات حرارتی را توضيح
دهد.
٤ روش بهبود بخشی خواص فلزات به وسيله کارمکانيکی را توضيح دهد.
٥ روش بهبود بخشی خواص فلزات به وسيله آلياژسازی را شرح دهد.
١ ٤ مقدمه
در فصل سوم ديديم که خواص مواد، از جمله فلزات علاوه بر ترکيب شيميايی (نوع اتم های
تشکيل دهنده) به نوع پيوند بين اتم ها، نحوه آرايش يا قرار گرفتن اتم ها در کنار يکديگر (ساختار
شبکه کريستالی) و ريزساختار آن بستگی دارد به طوری که ممکن است با تغيير هر کدام از عوامل
مذکور خواص فيزيکی، مکانيکی و تکنولوژيکی فلز مثل: سختی، استحکام، شکل پذيری، هدايت
الکتريسيته، ماشين کاری و جوشکاری تغيير نمايد. بنابراين مهم و ضروری است برای رسيدن به فلزاتی
با خواص برتر و کارايی بهتر با روش های مختلف ايجاد تغيير در خواص فلزات آشنا شويم. در اين
فصل به صورت مختصر و فشرده سه روش متداول و پرکاربرد جهت تغيير و بهبود در خواص قطعات
فلزی مورد بحث و بررسی قرار می گيرند.
٢ ٤ عمليات حرارتی
در حالت کلی گرم کردن و سرد کردن زمان بندی شده فلزات و آلياژهای آن ها (در حالت جامد)
را به منظور به دست آ وردن خواص فيزيکی و مکانيکی مطلوب عمليات حرارتی می گويند. لازم به ذکر
است عمليات حرارتی برای مواد غيرفلزی مثل سراميک ها نيز به کار می رود.
براساس تعريف فوق پارامترها يا فاکتورهای مهم در اجرای عمليات حرارتی عبارتند از:
١ سرعت گرم کردن قطعه
٢ دمای عمليات حرارتی
٣ زمان توقف يا نگهداری قطعه در دمای فوق
٤ سرعت سرد کردن
نمودار ( ١ ٤) نمودار عمليات حرارتی يک قطعه فلزی را نشان می دهد. همان طور که ملاحظه
می کنيد برای رسيدن به خواص مورد نظر در قطعه ممکن است لازم باشد اجرای عمليات حرارتی در
چند سيکل مختلف صورت پذيرد يعنی قطعه در چند مرحله با شرايط و برنامه زمان بندی متفاوتی گرم
و سرد شود.

١ ٢ ٤ اهداف عمليات حرارتی: به طور معمول عمليات حرارتی به منظور افزايش
سختی و استحکام قطعات فلزی و آلياژهای آنها صورت می گيرد ولی گاهی به دلايل ديگر مثل: کاهش
سختی، افزايش قابليت شکل پذيری، بهبود خواص هدايت الکتريکی و حرارتی يا بهبود خواص
مغناطيسی از عمليات حرارتی استفاده می شود.
به طور کلی هدف های مورد نظر از انجام عمليات حرارتی را می توان به سه دسته تقسيم کرد؛
١ افزايش سختی و استحکام
٢ نرم شدن و افزايش قابليت شکل پذيری
٣ برگشت و يکنواخت کردن ساختار قطعه (حذف تغييرات ايجاد شده در ساختار قطعه فلزی
حين عمليات ساخت يا شرايط کاری مثل جوشکاری، نورد، ماشين کاری و غيره)
برای درک بهتر اثرات عمليات حرارتی به مثال های زير توجه نماييد:
مثال ١ تنش زدايی (حذف تنش های ايجاد شده و باقيمانده در ساختار سازه فلزی):
همان طور که در شکل ( ٢ ٤) می بينيد در طی فرآيند ساخت سازه های فلزی در اثر عملياتی نظير:
نورد، خم کاری، جوشکاری، ماشين کاری و غيره بخشی از تنش ها با نيروهای اعمال شده به قطعه در
ساختار داخلی آن باقی می مانند که به طور کلی تنش های باقيمانده ناميده می شوند.

اين تنش ها در صورتی که حذف يا کاهش پيدا نکنند باعث کاهش استحکام و طول عمر سازه
فلزی می شوند. مقدار و نوع اين تنش ها علاوه بر جهش قطعه به نوع و مقدار عملياتی بستگی دارد
که روی آن صورت می گيرد بنابراين همان طور که در شکل ( ٢ ٤) ملاحظه می شود در انتهای فرآيند
ساخت قطعات و سازه های فلزی جهت حذف يا کاهش مقدار تنش های باقيمانده و ايجاد ساختار
يکنواخت، سازه فلزی را برای مدت معينی در درمای از پيش تعيين شده قرار می دهند و سپس آ ن را
به آرامی سرد می کنند.

٠ درصد کربن، / مثال ٢ افزايش سختی و استحکام: چنانچه آلياژی از فولاد با ترکيب ٤
٠ درصد موليبدن را اگر به مدت کافی تا ٨٤٠ درجه سانتي گراد / ٠ درصد منگنز، ١ درصد کروم، ٢ /٨
حرارت دهيم و سپس آن را به سرعت در روغن سرد کنيم، سختی آن حدود ٥ برابر افزايش می يابد.
چرخ دنده ها قطعاتی هستند که در شرايط کاری به شدت تحت سايش، ضربه و خوردگی قرار
می گيرند بنابراين مطلوب است سطح آنها به شدت سخت باشد تا کمتر دچار سايش و خوردگی شوند
از طرف ديگر دوست داريم قسمت های داخلی آن (مغز قطعه) به منظور تحمل ضربات مکانيکی نرم تر
باشد. همچنين در حين فرآيند ساخت و ماشين کاری هرچه قطعه نرم تر باشد سرعت و هزينه های
ماشين کاری کاهش می يابد. بنابراين به طور معمول جنس چنين قطعاتی طوری انتخاب می شود که
قابليت سختی پذيری در اثر عمليات حرارتی را داشته باشند لذا قطعه را در شرايطی که از ساختار
به نسبت نرمی برخوردار است ماشين کاری نموده و می سازند سپس با انجام عمليات حرارتی تحت
شرايط معين و از پيش برنامه ريزی شده مطابق شکل ( ٣ ٤) اقدام به سخت کاری سطح آن می نمايند
لازم به ذکر است در اين نوع عمليات حرارتی سرعت سرد کردن نهايی قطعه سريع صورت می گيرد و
برای اين منظور به طور معمول از آب، آب نمک يا روغن استفاده می شود.

مثال ٣ افزايش سختی و استحکام از طريق اعمال عمليات حرارتی خاص فولادها نيست
بلکه سختی و استحکام بعضی از آلياژهای غيرآهنی را نيز با انجام عمليات حرارتی می توان بهبود
بخشيد؛ به عنوان مثال، آلياژ آلومينيم مس با ترکيب ٩٦ درصد آلومينيم و ٤ درصد مس چنانچه به
مدت کافی در دمای ٥٥٠ درجه سانتي گراد نگه داريم و سپس به سرعت آن را در آب سرد فرو کنيم،

سختی آن حدود ٦٤ برينل می شود. اکنون، اگر دوباره آلياژ را به مدت کافی در دمای ١٣٠ درجه
سانتي گراد حرارت دهيم، سختی آن به ١٢٠ برينل می رسد.
٣ ٤ کار مکانيکی
همان گونه که پيش از اين گفته
شد، يکی از ويژگی های فلزات قابليت کار
مکانيکی بر روی آنهاست؛ يعنی، فلزات را
می توان بر اثر اعمال نيرو تغيير شکل داد و
آ نها را به ورق، مفتول يا شکل های ديگر
تبديل کرد. هنگامی که در دمای محيط
بر روی يک فلز کار مکانيکی انجام شود
مطابق آنچه که در شکل ( ٤ ٤) به صورت
شماتيک نشان داده شده است، به دليل تغيير شکل و فشرده شدن دانه های فلز و باقی ماندن بخشی از
تنش اعمال شده در ساختار داخلی ماده استحکام و سختی فلز افزايش می يابد و از قابليت شکل پذيری
آن کاسته می شود؛ انجام اين کار در مورد فلزات غيرآهنی هم صدق می کند.
در شکل ( ٥ ٤) بخشی از خط نورد شرکت فولاد مبارکه اصفهان مشاهده می شود. همان طور
که ملاحظه می کنيد قبل از شروع نورد قطعات فولادی که تختال ناميده می شوند به منظور نرم شدن و
افزايش قابليت شکل پذيری و سرعت نورد در کوره های مخصوصی گرم می شوند و به صورت گداخته
وارد خط نورد می شوند و محصول نهايی که ورقه هايی با ضخامت های متفاوت می باشد توليد می شوند.
به اين فرآيند در اصطلاح نورد گرم گفته می شود، چنانچه عمليات نورد در دمای محيط صورت پذيرد
مطابق آنچه شکل ( ٦ ٤) ديده می شود در اصطلاح نورد سرد می گويند. در هر صورت عمليات نورد
چه به صورت گرم انجام شود و چه به صورت سرد صورت پذيرد به دليل اعمال نيرو و فشرده شدن
ساختار کريستالی فلز يا آلياژ و نيز باقی ماندن بخشی از تنش اعمال شده محصول از درجه سختی
بيشتری برخوردار می شود.
همان طور که پيشتر نيز گفته شده ميزان افزايش سختی يا استحکام در اثر کار مکانيکی علاوه
بر جنس فلز يا آلياژ به مقدار کار مکانيکی صورت گرفته و دمای انجام آن بستگی دارد. همچنين لازم

به ذکر است منظور از کار مکانيکی شيوه های مختلف اعمال نيرو و ايجاد تنش در ساختار داخلی
فلز با آلياژ می باشد.
به عنوان مثال در دستگاه هايی که برای خرد کردن سنگ ها (سنگ شکن ها) ساخته می شوند و يا
در بيل های مکانيکی که برای عمليات حفاری و خاک برداری استفاده می شوند، چون در شرايط کاری
به شدت تحت سايش و ضربه قرار دارند لذا، جنس چنين وسايلی را از ترکيب فولادی مخصوصی
می سازند که در حين کار و وارد شدن ضربه يا نيرو قابليت سخت شدن سطحی دارد و از اين طريق
کارآيی و طول عمر آنها افزايش می يابد.
٤ ٤ آلياژسازی
به طور کلی فلزات در حالت خالص از درجه سختی و استحکام کمتری برخوردار می باشند
لذا يکی از راهکار های متداول و معمول برای افزايش خواص مکانيکی فلزات با آلياژها اضافه کردن
عناصر آلياژی ديگر به ساختار آنها می باشد (شکل ٧ ٤). به عنوان مثال، از طريق اضافه کردن عناصر
آلياژی مختلف به ساختار آهن امروزه هزاران ترکيب مختلف فولادی با خواص فيزيکی، مکانيکی و
تکنولوژيکی متفاوت در بازار وجود دارد.

١ ٤ ٤ مکانيزم استحکام بخشی توسط عناصر آلياژی: همان طور که در فصل
گذشته گفته شد فلزات در حالت جامد دارای ساختارهای بلوری می باشند و اکثر فلزات صنعتی
يا مکعبی با وجوه مرکز پر و FCC ، يا مکعبی مرکز پر BCC) پرکاربرد دارای سه نوع شبکه کريستالی
يا منشور شش وجهی فشرده) می باشند. بنابراين طی فرآيند استحکام بخشی از طريق اضافه HCP
کردن يک يا چند عنصر به شبکه اتمی فلز مورد نظر در حالت کلی، سه حالت اتفاق می افتد؛
١ در صورتی که مقدار عنصر آلياژی کم باشد (بستگی به حلاليت فلز پايه دارد) و اندازه
اتم های عنصر آلياژی کوچک باشد. (مثل اتم های کربن در داخل شبکه آهن) در اين صورت مطابق
شکل ( ٨ ٤) اتم های اضافه شده در فضاهای خالی بين اتم های فلز پايه قرار می گيرند (حالت بين
نبش).

٢ چنانچه مقدار عنصر آلياژی کم باشد ولی اندازه اتم های عنصر آلياژی بزرگ باشند و ساير
شرايط را نيز دارا باشند. مطابق شکل ( ٩ ٤) به جای بعضی از اتم های فلز پايه در شبکه کريستالی قرار
می گيرند. نظير اتم های روی در شبکه کريستالی فلز مس (حالت جانشين).

٣ درحالتی که مقدار عنصر آلياژی بيش از حد حلاليت در فلز پايه باشد منجر به تشکيل
ترکيبات فلزی جديد می شود که نوع اين ترکيبات، مقدار آنها و چگونگی توزيع آنها در داخل فلز
پايه بستگی به نوع عناصر آلياژی و واکنش پذيری آنها با اتم های فلز پايه دارد (ايجاد ترکيبات فلزی
جديد).
بدين ترتيب در هر سه حالت به دليل حضور و قرار گرفتن عناصر ديگر و يا ترکيبات جديد در
داخل شبکه اتمی فلز پايه آرايش اتمی فلز پايه و ساختار آن دچار تغيير می شود و در نتيجه حرکت
اتم های فلز پايه در اثر اعمال نيروی خارجی مشکل تر می گردد. به عبارت ديگر اتم های اضافه شده و
يا ترکيبات فلزی جديد به صورت مانعی در سر راه حرکت اتم های فلز پايه عمل می نمايند و بدين ترتيب
مقدار نيروی لازم برای جابه جايی اتم ها در شبکه فلز پايه و يا تغيير شکل آن بالا می رود و به اصطلاح
گفته می شود؛ استحکام يا سختی آلياژ افزايش يافته است.
بنابراين در حالت کلی نتيجه اين مکانيزم استحکام بخشی را روی خواص فلزات به صورت زير
می توان خلاصه کرد:
١ استحکام و سختی آلياژها نسبت به فلز پايه در حالت خالص بيشتر است.
٢ انعطاف پذيری يا شکل پذيری آلياژها نسبت به فلز پايه در حالت خالص کمتر است.
٣ جوش پذيری آلياژها نسبت به فلز پايه در حالت خالص کمتر است.
٤ هدايت الکتريکی و حرارتی آلياژها نسبت به فلز پايه در حالت خالص بسيار کمتر است.
٥ نقطه ذوب آلياژها نسبت به فلز پايه در حالت خالص کمتر است.
به مثال زير توجه کنيد:
مثال ٤ همان گونه که در نمودار ( ٢ ٤) مشاهده می شود، هرقدر مقدار نيکل در آلياژ مس
نيکل افزايش يابد، سختی و استحکام آلياژ به دست آمده افزايش پيدا می کند.
ملاحظه می شود، با افزايش حدود ٤٠ درصد نيکل به مس سختی آن از ٣٦ به ٧٣ برينل
می رسد؛ يعنی سختی آن دو برابر و استحکام آن نيز بيش از ٥٠ درصد افزايش می يابد. همانگونه که
گفته شد، آلياژسازی تنها برای افزايش يا بهبود استحکام فلز صورت نمی گيرد بلکه برای بهبود ديگر
ويژگی های آن نيز ممکن است، انجام شود..

آزمون پايانی
١ هدف از بهبود بخشيدن خواص فلزات چيست؟
٢ سه روش بهبود بخشيدن خواص فلزات را نام ببريد.
٣ منظور از عمليات حرارتی چيست؟
٤ موارد استفاده عمليات حرارتی در صنعت چيست؟
٥ کار مکانيکی و موارد استفاده آن را در بهبود بخشيدن به خواص فلزات
توضيح دهيد.
٦ آلياژسازی به چه منظور انجام می گيرد و موارد استفاده آن چيست؟

فصل پنجم
فلزات آهنی

هدف رفتاری: با يادگيری اين فصل هنرجو می تواند:
١ آلياژهای آهنی را دسته بندی نمايد.
٢ طبقه بندی فولادها را توضيح دهد.
٣ کاربردهای فولادها را شرح دهد.
٤ انواع چدن و موارد کاربرد آنها را بيان کند.

٢ ٥ دسته بندی فلزات پايه آهنی
کربن و ديگر عناصر آلياژی در ترکيب با آهن طيف گسترده ای از خواص را در فلزات آهنی
ايجاد می کنند که می توان با شناخت اين خواص از آنها در صنايع مختلف استفاده نمود.
.( فلزات پايه آهنی بر اساس ميزان کربن به دو دسته کلی تقسيم بندی می شوند (نمودار ١ ٥
نمودار ١ ٥ دسته بندی فلزات پايه آهنی بر حسب مقدار کربن
فولادها
چدن ها
به طور معمول کمتر از ٢ درصد کربن دارند
بيش از ٢ درصد تا حدود ٦ درصد کربن دارند
٣ ٥ فولاد
به طور کلی می توان فولادها را مطابق نمودار ( ٢ ٥) تقسيم بندی کرد.
١ ٣ ٥ فولادهای ساده کربنی ١:فولادهای ساده کربنی به آن دسته از فولادها اطلاق
می شود که کربن اصلی ترين و مؤثرترين عنصر آلياژی آن می باشد و با افزايش ميزان کربن استحکام
فولاد افزايش پيدا می کند. فولادهای ساده کربنی مطابق نمودار ( ٣ ٥) به سه گروه تقسيم می شوند.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Fill out this field
Fill out this field
لطفاً یک نشانی ایمیل معتبر بنویسید.
You need to agree with the terms to proceed

فهرست